基于溫度掃描的排水瀝青路面面域滲透性評(píng)價(jià)

宋 柳，劉斌清，葉超強(qiáng)

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007)

0 引言

排水瀝青路面是采用孔隙率為18%～25%的大孔隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料修筑的路面功能層，其主要作用是通過水的滲透，消除路表自由水膜，提高路面行車安全系數(shù)。滲透性能是決定排水瀝青路面排水功能的重要指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)路面總體排水能力的關(guān)鍵。排水瀝青路面施工過程中，一般采用單點(diǎn)的滲透系數(shù)及滲水系數(shù)進(jìn)行混合料材料設(shè)計(jì)指標(biāo)及成型排水瀝青路面性能評(píng)價(jià)，但對(duì)于面域滲透性能缺乏評(píng)價(jià)手段及控制方法，導(dǎo)致無法對(duì)過程進(jìn)行有效控制，不利于保證排水瀝青路面總體透水效果。

瀝青混合料的孔隙特性與施工后的表面散熱狀態(tài)存在一定的相關(guān)性，本文采用紅外熱成像儀對(duì)排水瀝青路面施工后的表面溫度進(jìn)行面域化掃描，建立面域化溫度與滲透狀況的關(guān)系，以建立排水瀝青路面面域滲透性能評(píng)價(jià)方法，為排水路面總體滲透性控制提供參考。

1 評(píng)價(jià)機(jī)理

1.1 排水瀝青路面滲透性能影響因素

排水瀝青路面滲透性能一般采用單點(diǎn)滲水系數(shù)進(jìn)行測試評(píng)價(jià)，在室內(nèi)一般采用車轍板試件進(jìn)行滲水系數(shù)測試及對(duì)馬歇爾試件進(jìn)行滲透系數(shù)測試。研究表明，路面的透水性能與混合料內(nèi)部的空隙率成正比，空隙率越大，則混合料的滲水性能越強(qiáng)。按照日本的研究成果，排水性路面的滲透系數(shù)應(yīng)達(dá)到10-2cm/s以上，對(duì)應(yīng)實(shí)體的滲水系數(shù)在5 000 mL/min以上為宜。排水瀝青路面空隙率及滲透性能主要受礦料級(jí)配(4.75 mm、2.36 mm篩孔通過率)、細(xì)集料含量(0.075 mm篩孔通過率)、瀝青用量以及施工過程的壓實(shí)功等因素影響。其中，4.75 mm及2.36 mm以上通過率與滲水系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；細(xì)集料含量及瀝青用量與滲水系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；施工過程壓實(shí)功越大，則空隙率越小，對(duì)應(yīng)的滲水能力也減小[1]。

已有透水瀝青路面工程中，因局部過壓、瀝青析漏、級(jí)配波動(dòng)等原因造成局部排水不暢的質(zhì)量缺陷較為普遍，特別是采用“SBS瀝青+高黏劑+纖維”的混合料，若纖維添加不均勻或礦粉細(xì)度發(fā)生變化，排水瀝青路面較容易出現(xiàn)局部孔隙較小的透水不良區(qū)域。

1.2 施工過程路面溫度影響因素

排水瀝青路面施工碾壓后，路面表面溫度狀態(tài)存在一定的差異，其路表溫度差異主要受混合料散熱狀態(tài)及碾壓過程熱交換作用影響。其主要影響因素見表1。

表1 排水瀝青路面施工過程表面溫度影響因素分析表

根據(jù)施工過程路面溫度影響因素分析可見，攤鋪過程局部級(jí)配離析及溫度離析均會(huì)影響混合料空隙率，對(duì)排水瀝青路面的滲透性能存在一定影響。壓實(shí)過程中局部壓實(shí)過大或漏壓也會(huì)影響排水瀝青路面的滲透性能。而攤鋪過程中的混合料散熱及鋼輪壓路機(jī)灑水熱交換與其滲透性能沒有直接相關(guān)性，不會(huì)直接影響其滲透性。由此可見，在排水瀝青混合料出場級(jí)配穩(wěn)定且施工環(huán)境相對(duì)一致的情況下，施工過程中的路表散溫狀態(tài)能夠反映排水瀝青混合料的滲透狀態(tài)。因此，可以借助對(duì)表面溫度狀況的總體測試，反映排水瀝青路面的總體滲透性能。

1.3 面域化溫度掃描評(píng)價(jià)機(jī)理

紅外熱成像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡將被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，其與物體表面的熱分布場相對(duì)應(yīng)。通俗地講，紅外熱成像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒嵯駡D，熱像圖上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。紅外熱成像儀基于面域上采集的點(diǎn)可以對(duì)固定位置進(jìn)行溫度掃描，確定一定面域范圍內(nèi)的溫度平均值[2]。

針對(duì)排水瀝青路面面域滲水效果評(píng)價(jià)要求，可采用紅外熱成像儀進(jìn)行局部溫度差異特異區(qū)的識(shí)別，其能夠識(shí)別出面域化滲透性能不良區(qū)域，解決了常規(guī)的單點(diǎn)滲水儀檢測方法難以有效甄別透水不良區(qū)域的問題?？紤]到路面施工過程中溫度差異較大，影響因素多，在本文采用終壓完成后的路面狀況作為判斷依據(jù)。

2 面域滲透性能評(píng)價(jià)方法

2.1 面域溫度特異區(qū)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

排水瀝青混合料中各材料的散熱程度不同，材料離析會(huì)造成其局部發(fā)生溫度離析；同時(shí)在碾壓過程中因碾壓遍數(shù)不同，路面散溫及碾壓過程灑水降溫程度也不同。結(jié)合排水瀝青路面碾壓后路表溫度影響因素分析，借助紅外熱成像儀對(duì)其進(jìn)行面域化掃描可以有效對(duì)透水不良區(qū)域進(jìn)行判斷。不同溫度狀態(tài)的路面，其紅外熱像圖的顏色呈現(xiàn)區(qū)別。因而，對(duì)終壓完成后的路面表面進(jìn)行紅外熱成像儀掃描，可以快速判明溫度離析區(qū)域。參考NCHRP 441用來判定溫度離析的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，見表2。

表2 溫度離析標(biāo)準(zhǔn)表

借鑒路面溫度離析概念，以溫度輕度離析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為多孔瀝青混合料表面滲透性能差異的篩選條件，即以溫度差異是否超過10 ℃作為高、低溫特異區(qū)判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行排水瀝青路面施工過程面域溫度甄別。

2.2 設(shè)計(jì)混合料滲透性能

本研究設(shè)計(jì)的膠粉復(fù)合改性瀝青排水路面，采用膠粉復(fù)合改性高黏瀝青作為結(jié)合料，設(shè)計(jì)級(jí)配參考常用級(jí)配，室內(nèi)模擬采用車轍板試件測試混合料滲透性能，結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)混合料滲水性能試驗(yàn)結(jié)果表

由表3可知，在設(shè)計(jì)空隙率為19.4%的情況下，混合料滲水系數(shù)為6 762 mL/min，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 溫度掃描特異區(qū)識(shí)別方法

如圖1所示，在排水瀝青路面施工過程中，存在低溫區(qū)域和高溫區(qū)域。根據(jù)其溫度影響，高溫區(qū)域散熱較快，孔隙相對(duì)偏大；低溫區(qū)域散熱慢，往往是細(xì)料膠泥集中或過壓區(qū)域，因此其孔隙偏小。根據(jù)紅外溫度掃描圖，以溫度差異10 ℃作為特異區(qū)判斷標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)記亮區(qū)(高溫區(qū)，>10 ℃)和暗區(qū)(低溫區(qū)，<10 ℃)，確定區(qū)域面積及與平均溫度的差值，作為路面滲透性能評(píng)價(jià)特異區(qū)。

圖1 紅外熱成像儀面域化篩選示例圖

2.4 溫度特異區(qū)滲水性能一致性分析

結(jié)合排水瀝青混合料滲透性影響因素可以判斷，特異區(qū)域中的低溫區(qū)屬于滲透性偏低區(qū)，高溫區(qū)屬于滲透性偏大區(qū)。在鋪筑的透水瀝青路面中選定低溫區(qū)域和高溫區(qū)域各1處，對(duì)低溫區(qū)、高溫區(qū)及正常段落進(jìn)行空隙率測試及滲水性能測試，不同區(qū)域的測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 紅外熱成像儀面域化異常區(qū)域滲水系數(shù)及空隙率測試結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)圖2分析，終壓后透水瀝青路面表面溫度特異區(qū)域的情況如下：

(1)高溫特異區(qū)。路面平均空隙率達(dá)22.7%，滲水系數(shù)達(dá)到7 831(mL/min)，根據(jù)溫度掃描區(qū)域面積可以判斷，該部位屬于邊部漏壓區(qū)，碾壓遍數(shù)較正常路段少。

(2)低溫特異區(qū)。路面平均空隙率為16.8%，滲水系數(shù)為4 964(mL/min)，略低于相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。根據(jù)溫度掃描區(qū)域及施工工藝可以判斷，該部位為過度碾壓區(qū)，且瀝青混合料存在一定的膠漿及瀝青聚集現(xiàn)象。

(3)正常路段。路面平均空隙率為19.8%，滲水系數(shù)為6 877(mL/min)，路面滲水性能良好，與室內(nèi)車轍板試驗(yàn)確定的6 762 ml/min的滲水系數(shù)基本一致。

由此可見，采用溫度掃描方法確定的特異區(qū)，與排水瀝青路面滲透性能具有較好的相關(guān)性。

3 路面滲透性能驗(yàn)證

在經(jīng)溫度掃描確定的路面滲透性能特異區(qū)的基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)行規(guī)范排水瀝青路面測試評(píng)價(jià)方法，采用多點(diǎn)滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析以及模擬降雨的灑水試驗(yàn)方法進(jìn)行路面的滲透性能驗(yàn)證。

3.1 面域滲透系數(shù)測試統(tǒng)計(jì)分析

采用電子滲水儀，對(duì)實(shí)體31.5萬m3的排水瀝青路面進(jìn)行多點(diǎn)滲水系數(shù)隨機(jī)檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 排水瀝青路面滲水系數(shù)隨機(jī)檢測結(jié)果散點(diǎn)圖

由圖3可見，實(shí)體鋪筑的排水瀝青路面滲水系數(shù)均大于滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的5 000 mL/min，滲水系數(shù)在5 000～8 000 mL/min，滲水能力普遍滿足要求。

圖4 不同特異區(qū)與滲水系數(shù)回歸關(guān)系擬合曲線圖

通過對(duì)多點(diǎn)特異區(qū)進(jìn)行滲水系數(shù)測試可以發(fā)現(xiàn)，隨著路面攤鋪后溫度的升高，滲水系數(shù)呈升高趨勢。其主要原因是攤鋪后路面溫度與路面散溫狀態(tài)及碾壓次數(shù)有關(guān)，散熱快的區(qū)域其碾壓次數(shù)相對(duì)較少，或因存在局部空隙較大的狀態(tài)，其表面溫度較高。通過回歸公式分析，排水瀝青路面碾壓后路表溫度與滲水系數(shù)符合二元一次方程的回歸規(guī)律，其回歸系數(shù) 0.787 1 相對(duì)偏低，但總趨勢一致(見圖4)。由此可見，采用溫度特異區(qū)進(jìn)行排水瀝青路面滲透性的表征具有一定的合理性。

3.2 面域滲透性灑水驗(yàn)證

鋪筑完成后，選取紅外溫度掃描特異區(qū)不明顯的正常排水瀝青路面，采用整體灑水試驗(yàn)方法，直觀驗(yàn)證模擬降雨?duì)顟B(tài)下排水瀝青路面的總體滲透性能。

由灑水試驗(yàn)可知，在模擬強(qiáng)降水狀態(tài)下排水瀝青透水路面的表面水能夠迅速排除，無局部積水現(xiàn)象。這表明在采用溫度掃描無特異區(qū)域的排水瀝青路面，其實(shí)際的總體面域滲水效果可以得到良好保證。由此可見，采用紅外溫度掃描進(jìn)行特異區(qū)識(shí)別的方法，能夠較好地保證排水瀝青路面總體滲透性能。

4 結(jié)語

本文根據(jù)排水瀝青路面滲透性能影響因素分析，結(jié)合排水瀝青路面的表面溫度狀態(tài)影響因素，選取施工終壓后路表溫度進(jìn)行溫度掃描，以確定路面溫度特異區(qū)與滲透系數(shù)的關(guān)聯(lián)，得到結(jié)論如下：

(1)借助紅外熱成像儀對(duì)排水瀝青路面的表面溫度進(jìn)行掃描，以10 ℃作為溫度特異區(qū)篩選條件，能夠有效篩選路面溫度特異的區(qū)域。

(2)所篩選的路面溫度特異區(qū)與排水瀝青路面滲透系數(shù)存在一定的相關(guān)性，符合二元一次方程的回歸規(guī)律，其回歸系數(shù)0.787 1相對(duì)偏低，但總趨勢一致。

(3)面域化滲水效果驗(yàn)證表明，所采用的以溫度掃描進(jìn)行排水瀝青路面面域滲透效果控制的方法，可有效控制排水瀝青路面施工過程滲透性能的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，使總體滲水效果良好。

(4)實(shí)際應(yīng)用該方法時(shí)，因不同工程需結(jié)合控制目的及環(huán)境狀況不同，可根據(jù)項(xiàng)目情況通過試驗(yàn)段確定面域溫度掃描的施工環(huán)節(jié)和特異溫度界定范圍，以確定針對(duì)性的控制標(biāo)準(zhǔn)。